что такое система космической навигации
Технология глобальной спутниковой навигации: какие бывают системы, параметры и функции
В этой статье мы расскажем про глобальные системы позиционирования, разработанные в США, России, ЕС и Китае; объясним, как поддержка технологий глобальной спутниковой навигации реализована в электронных устройствах, а также опишем ключевые и дополнительные функции современных навигационных приемников.
Система GPS (Global Positioning System) создавалась для применения в военных целях. Она начала работать в конце 80-х — начале 90-х годов, однако до 2000 года искусственные ограничения на определение местоположения существенно сдерживали ее возможности использования в гражданских целях.
Орбиты спутников системы GPS. Пример видимости спутников из одной из точек на поверхности Земли. Visible sat — это число спутников, видимых над горизонтом наблюдателя в идеальных условиях (чистое поле).
ГЛОНАСС
Российский аналог GPS — ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система) — была развёрнута в 1995 году, но в связи с недостаточным финансированием и малым сроком службы спутников она не получила широкого распространения. Вторым рождением системы можно считать 2001 год, когда была принята целевая программа ее развития, благодаря которой ГЛОНАСС возобновил полноценную работу в 2010 году.
Сегодня на орбите работают 24 спутника ГЛОНАСС, они охватывают навигационным сигналом весь земной шар.
Новейшие потребительские устройства используют GPS и ГЛОНАСС как взаимодополняющие системы, подключаясь к ближайшим найденным спутникам, это значительно увеличивает скорость и точность их работы.
Пример: aвтомобильное GPS/ГЛОНАСС-навигационно-связное устройство на базе ОС Android, разработанное командой Promwad по заказу российского конструкторского бюро. Реализована поддержка GSM/GPRS/3G. Устройство автоматически обновляет информацию о дорожной обстановке в режиме реального времени и предлагает водителю оптимальный маршрут с учётом загруженности дорог.
Сейчас на стадии разработки находятся еще две спутниковые системы: европейская Galileo и китайская Compass.
Galileo
Галилео — совместный проект Европейского союза и Европейского космического агентства, анонсированный в 2002 году. Изначально рассчитывали, что уже в 2010 году в рамках этой системы на средней околоземной орбите будут работать 30 спутников. Но этот план не был реализован. Сейчас предположительной датой начала эксплуатации Galileo считается 2014 год. Однако ожидается, что полнофункциональное использование системы начнется не ранее 2020 года.
Compass
Это следующая ступень развития китайской региональной навигационной системы Beidou, которая была введена в эксплуатацию после запуска 10 спутников в конце 2011 года. Сейчас она обеспечивает покрытие в границах Азии и Тихоокеанского региона, но, как ожидается, к 2020 году система станет глобальной.
Сравнение орбит спутниковых навигационных систем GPS, ГЛОНАСС, Galileo и Compass (средняя околоземная орбита — MEO) с орбитами Международной космической станции (МКС), телескопа Хаббл и серии спутников Иридиум (Iridium) на низкой орбите, а также геостационарной орбиты и номинального размера Земли.
Поддержка ГНСС
Ключевые параметры навигационных приемников
Производители приемников используют различные методы уменьшения TTFF, включая скачивание и сохранения альманаха и эфемерид по беспроводным сетям передачи данных (т.н. метод Assisted GPS или A-GPS), это быстрее чем извлечение этих данных из сигналов ГНСС.
Холодный старт описывает ситуацию, когда приемнику нужно получение всей информации для определения места. Это может занять до 12 минут.
Теплый старт описывает ситуацию, когда у приемника есть почти вся необходимая информация в памяти, и он определит место в течении минуты.
Одним из ключевых параметров навигационных модулей в мобильных устройствах является энергопотребление. В зависимости от режима работы модуль потребляет различное количество энергии. Фаза поиска спутников (TTFF) характеризуется большим, а слежение меньшим энергопотреблением. Также производители реализуют различные схемы уменьшения энергопотребления, например, путем периодического перевода модуля в режим сна.
Как правило, все модули выдают данные по текстовому протоколу NMEA-0183, но кроме указанного текстового протокола каждый производитель имеет свой собственный двоичный протокол (Binary), который позволяет изменять конфигурацию модуля под конкретное использование либо получать доступ к дополнительному функционалу, а также доступ к сырым измерениям. Двоичный протокол удобен для использования на микроконтроллерах, т.к. при этом нет необходимости выполнять преобразование из текста в двоичные данные, тем самым экономя программную память путем исключения библиотеки работы со строками и времени на преобразование.
Стандарт NMEA-2000 — это развитие протокола NMEA-0183. В качестве физического уровня в NMEA-2000 используется CAN-шина, которая была выбрана в виду большей защищенности по сравнению с RS-232. С точки зрения протокола передачи данныхNMEA-2000 существенно отличается от своего предшественника, т.к. использует двоичный протокол, базирующийся на стандарте SAE J1939.
Частота обновления данных о местоположении и скорости всех модулей составляет 1 Гц, но при необходимости ее можно поднять до 5 или 10 Гц.
В зависимости от области применения модуль можно сконфигурировать под определенные динамические характеристики, которые он должен отслеживать (например, максимальное ускорение объекта). Это позволяет использовать оптимальный алгоритм и улучшать качество измерений.
Для выполнения навигационной задачи модуль должен одновременно принимать сигналы от нескольких спутников, т.е. иметь несколько приемных каналов. На сегодняшний день это число лежит в диапазоне от 12 до 88.
Точность определения местоположения по GPS составляет в среднем 15 м, она обусловлена используемым неточным сигналом, влиянием атмосферы на распространение радиосигнала, качеством кварцевых генераторов в приемниках и пр. Но с помощью корректирующих методов возможно улучшить точность определения местоположения. Эта технология называется Differential GPS. Существует два метода коррекции: наземный и спутниковый DGPS.
В наземных методах коррекции наземные станции дифференциальных поправок постоянно сверяют свое заведомо известное местоположение и сигналы от навигационных спутников. На базе этой информации вычисляются корректирующие величины, которые могут быть переданы с помощью УКВ- или ДВ-передатчика на мобильные DGPS-приемники в формате RTCM. На основании полученной информации потребитель может корректировать процесс определения собственного местоположения. Точность этого метода составляет 1—3 метра и зависит от расстояния до передатчика корректирующей информации и качества сигнала.
Спутниковые методы, такие как система WAAS (Wide Area Augmentation System), доступная в Северной Америке, и система EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System), доступная в Европе, шлют корректирующие данные с геостационарных спутников, таким образом достигается большая область приема, чем при наземных методах.
Спутниковые системы дифференциальной коррекции (SBAS — Space Based Augmentation Systems) позволяют улучшить точность, надежность и доступность навигационной системы за счет интеграции внешних данных в процессе расчета
Демонстрация принципа работы системы WAAS (Wide Area Augmentation System) на территории США
Одним из основных параметров, влияющих на точность определения местоположения и стабильность приема является чувствительность. Она, как правило, определяется качеством малошумящего усилителя на входе приемника и сложностью реализованных алгоритмов цифровой обработки. Типовые значения современных приемников лежат в диапазоне 143 дБм для поиска и 160 дБм для слежения.
Кроме определения местоположения ГНСС предоставляют информацию о точном времени. Как правило, все приемники имеют выход PPS (pulse per second, импульсов в секунду) — секундная метка (1 Гц), которая точно синхронизирована с временной шкалой UTC.
Дополнительные функции навигационных устройств
Счисление пути. На основе информации о направлении движения и пройденном пути (предоставляется дополнительными датчиками) приемник может рассчитывать свои координаты при отсутствии сигналов от спутников (например, в туннелях, на подземных стоянках и в плотной городской застройке).
Некоторые модули имеют возможность напрямую подключать флэш-память (например, по SPI) к модулю для записи трека c необходимой периодичностью. Эта функция позволяет отказаться от использования отдельного микроконтроллера, либо она может быть полезной для минимизации энергопотребления (т.е. система на кристалле может находиться в состоянии сна).
На этом поверхностный обзор технологий глобальной спутниковой навигации завершен. Спасибо за внимание. Примеры реализованных проектов на базе этих ГЛОНАСС и GPS можно посмотреть на странице разработок компании Promwad.
Навигационные спутниковые системы мира
В 2006 году Индия также приняла решение о создании собственной навигационной системы IRNSS. Бюджет программы около 15 млрд. рупий. На геосинхронные орбиты планируется вывести семь спутников. Работы по развертыванию индийской системы ведет государственная компания ISRO. Все аппаратные средства системы будут разрабатываться только индийскими компаниями.
Китай, желающий занять ведущую позицию на геополитической карте мира, разработал собственную спутниковую навигационную систему «Бэйдоу» (Beidou). В сентябре 2012 года два спутника, входящие в эту систему, были успешно запущены с космодрома Сичан. Они пополнили список 15 космических аппаратов, выведенных китайскими специалистами на околоземную орбиту в рамках создания полноценной спутниковой навигационной системы.
Реализация программы началась китайскими разработчиками еще в 2000 году с запуска двух спутников. Уже в 2011 году на орбите находилось 11 спутников, и система вошла в стадию экспериментальной эксплуатации.
Развертывание собственной навигационной спутниковой системы позволит Китаю не зависеть от крупнейших мировых систем американской (GPS) и российской (ГЛОНАСС). Это повысит эффективность китайских отраслей экономики, особенно, таких, которые связаны с телекоммуникациями.
Планируется, что к 2020 году в китайской НСС будет задействовано около 35 спутников, и тогда система «Бэйдоу» сможет контролировать весь земной шар. Китайская НСС предусматривает следующие виды услуг: определение местоположения с точностью до 10 м, скорости до 0,2 м/с и времени до 50 нс. Особенный круг пользователей будет иметь доступ к более точным параметрам измерений. Китай готов на взаимодействие с другими странами по разработке и эксплуатации спутниковой навигации. Китайская система «Бэйдоу» полностью совместима с европейской Galileo, российской ГЛОНАСС и американской GPS.
«Бэйдоу» эффективно применяется при подготовке прогнозов погоды, предупреждении стихийных бедствий, в области транспорта наземного, воздушного и морского, а также геологоразведке.
В планах Китая постоянное усовершенствование своей спутниковой навигационной системы. Увеличение количества спутников позволит расширить зону обслуживания всего азиатско-тихоокеанского региона.
Что не пишут в википедии о глобальных навигационных спутниковых системах
Вдохновлённый серией постов «Теория радиоволн», я решился на аналогичный пост о системах спутникового позиционирования. Я работаю в структуре, которая занимается обеспечением функционирования системы ГЛОНАСС, поэтому постараюсь рассказать о ней и её конкурентах с несколько другой точки зрения. Пост будет именно об их устройстве, попутно хотелось бы развеять несколько мифов.
Постараюсь обойтись без выкладывания прописных истин и сведений, которые любой желающий может почерпнуть в википедии, но порой без них не обойтись, прошу отнестись с пониманием.
Структура систем
Как это работает
Подсистема НКА представляет собой некоторое количество спутников, согласованно движущихся по специально выбранным орбитам. Основное условие при выборе орбит — в любой точке планеты в любой момент времени должно быть видно не менее 4 спутников (почему именно четыре, будет объяснено ниже). На каждом из аппаратов установлены атомные часы — цезиевые, рубидиевые или их комбинация, в зависимости от модификации — синхронизированные с часами на центральном синхронизаторе системы. Синхронизированные — это не значит что они идут синфазно, это значит что известна разница хода часов. Именно центральный синхронизатор и хранит так называемую системную шкалу времени. Наш центральный синхронизатор находится в Подмосковье, американский в Подвашингтонье, что и неудивительно.
Каждый аппарат излучает несущее колебание в двух частотных диапазонах L1 и L2. Все НКА системы GPS излучают на общих частотах, 1575,42 МГц и 1227,60 МГц для L1 и L2 соответственно, а НКА системы ГЛОНАСС излучают на разнесённых частотах, называемых литерами (аппараты, находящиеся на противоположных точках орбиты излучают на одной литере). Разница между литерами составляет 562,5 кГц, для поддиапазона L1 и 437,5 кГц для L2, нулевая литера имеет частоты 1602 МГц и 1245 МГц соответственно.
Несущее колебание модулируется специальной кодовой последовательностью таким образом, что фаза кодового сигнала совпадает с показаниями часов спутника (если кому интересно — модуляция фазовая). В системе GPS каждый аппарат имеет уникальную кодовую последовательность, что позволяет различать их сигналы, несмотря на общую частоту. В ГЛОНАСС же используется частотное разделение, поэтому все аппараты имеют одинаковую кодовую последовательность. Дополнительно сигналы спутников модулируются навигационными сообщениями, которые содержат параметры полиномиальной математической модели движения спутника и модели смещения показаний спутниковых часов относительно системной шкалы времени.
Структура сигнала космических аппаратов ГЛОНАСС
Навигационные сообщения также содержат параметры ионосферы (позволяет учитывать задержку сигналов в ионосфере), разницу между системной шкалой времени и мировой координированной шкалой времени и много еще всякой другой полезной информации. Упрощенно, подсистема НКА — это сеть синхронизированных, движущихся в пространстве часов, с известными в любой момент координатами.
Наземный комплекс управления — это сеть наземных станций, обеспечивающих определение параметров движения космических аппаратов, параметров хода их часов.На пунктах ведутся измерения параметров вращения планеты, параметров атмосферы, там уточняют характеристики гравитационного поля Земли и обеспечивают хранение мировой системы координат. Функционально в состав НКУ входит немалое количество научно-исследовательских учреждений и лабораторий. Ну и разумеется, именно наземный комплекс все эти данные обрабатывает и закладывает на аппараты, которые уже транслируют их в составе навигационного сообщения.
Наземный комплекс — это и базовые пункты с калиброванными приёмниками, и пункты федеральной астрономо-геодезической сети, и радиоинтерферометры со сверхдлинной базой, и лазерные дальномеры, и множетсво других интересных вещей. Вообще функции наземного комплекса очень разнообразны, его деятельность слишком обширна, чтобы включить её в эту статью. Если кого-то заинтересует — попробую написать статью и об этом.
Сеть станций наземного комплекса управления ГЛОНАСС
Разумеется это сильно упрощенная схема работы навигационных систем, про любой компонент можно рассказывать очень долго. Так что, если кого-то заинтересует, я готов углубиться в любой из аспектов работы ГНСС.
Срыв покровов
Сразу скажу, тут я просто рассмотрю наиболее распространённые вопросы и заблуждения, с которыми сталкиваюсь постоянно. Ну и постараюсь объяснить реальное состояние дел, в меру своей компетентности конечно.
Почему ГЛОНАСС такой плохой?
Наиболее распространенный вопрос.
Начну с того, что ГЛОНАСС не во всём хуже GPS.
Например, в приполюсных областях группировка ГЛОНАСС обеспечивает лучшее покрытие, в силу более оптимальной конфигурации орбитальной группировки. Впрочем в приэкваториальных областях ситуация обратная по той же причине. Ноги растут из военного назначения обеих систем, а военные интересы Советского Союза и США были сконцентрированы именно в этих областях.
Кроме того, частотное разделение сигналов действительно улучшает помехоустойчивость системы ГЛОНАСС. Это же частотное разделение тянет за собой и множество проблем, но факт остаётся фактом — в случае вооружённого конфликта подавить нашу ГНСС будет сложнее.
Сама система непрерывно прогрессирует. Пусть не так быстро как хотелось бы, пусть это сопровождается коррупционными скандалами с какими-то астрономическими суммами, но весь мир признаёт, что ГЛОНАСС стабильно держится на дистанции четырёх-пятилетнего отставания от GPS, и разрыв не увеличивается. Кстати, не надо думать, что GPS сильно дешевле, он тоже стоит чудовищных денег, которые не всегда тратятся как следует.
Так почему же ГЛОНАСС отстаёт? Мало кто знает, что система ГЛОНАСС старше GPS на несколько лет (формально сама система моложе, но её прототипы появились раньше и сама отработка технологии началась раньше). Американцы разумеется наблюдали за её созданием, и создали свою, постаравшись учесть наши ошибки, которые другим способом предугадать было невозможно. Избежав наших системных ошибок, и не останавливая развитие (в отличие от нас, в девяностые вся наша спутниковая группировка едва не оказалась на дне Тихого океана) они превратились из отстающих в опережающих.
Военные коды
Как известно, НКА обеих систем излучают сигналы двух видов: стандартной точности (СТ-код для ГЛОНАСС, C/A для GPS) и высокой точности (аналогично ВТ-код и P/Y-код). СТ-код ГЛОНАСС излучается в обоих частотных диапазонах, а C/A код GPS только в частотном диапазоне L1 (за исключением нескольких НКА новой серии). Сигналы высокой точности излучаются в обоих частотных диапазонах. Различаются эти сигналы кодовой последовательностью, при этом сигналы с кодом высокой точности имеют более широкую полосу, что повышает точность и затрудняет подавление.
Традиционно сигналы высокой точности считаются военными, стандартные сигналы считаются гражданскими. Это только отчасти верно. Кодовая последовательность P-кода и ВТ-кода на данный момент открыта для широкого применения: американцы официально опубликовали свои кодовые последовательности, а заодно и наши (откуда они их узнали, оставим за кадром). Поэтому сейчас любой производитель совершенно свободно может создавать приёмники, принимающие военные сигналы (и создают, вся прецизионная аппаратура принимает все виды сигналов на всех частотах). Особенность в том, что в случае необходимости эти коды меняются по особому алгоритму, разумеется засекреченному. И вот после такой смены кодовых последовательностей только военная аппаратура сможет их принимать, поскольку в неё изначально этот самый алгоритм зашивается.
Более того, в случае необходимости на сигналы стандартной точности накладывается еще и кодирование, которое не мешает принимать эти сигналы, но не позволяет определять положение лучше пары сотен метров в принципе.
Все эти манипуляции могут производиться не глобально, а только над некоторым регионом земного шара, что продемонстрировали американцы во время войны в Ираке, лишив весь Ближний Восток нормального GPS. Аналогично поступали наши во время конфликта с Грузией, что особого резонанса не вызвало, поскольку пользователей ГЛОНАСС в Грузии не сыскать.
Как не заблудиться в космосе?
Римский философ Сенека сказал: «Если человек не знает, куда он плывет, то для него нет попутного ветра». В самом деле, какая нам польза от двигателей, маховиков или соленоидов, если мы не знаем положения аппарата в пространстве? Этот рассказ о приборах, которые позволяют нам не заблудиться в космосе.
Технический прогресс сделал системы ориентации небольшими, дешевыми и доступными. Сейчас даже студенческий микроспутник может похвастаться системой ориентации, о которой пионеры космонавтики могли только мечтать. Ограниченность возможностей порождала остроумные решения.
Асимметричный ответ: никакой ориентации
Первые спутники и даже межпланетные станции летали неориентированными. Передача данных на Землю велась по радиоканалу, и несколько антенн, чтобы спутник был на связи при любом положении и любых кувырканиях, весили гораздо меньше, чем система ориентации. Даже первые межпланетные станции летали неориентированными:
Луна-2, первая станция, достигшая поверхности Луны. Четыре антенны по бокам обеспечивают связь при любом положении относительно Земли
Даже сегодня иногда бывает проще покрыть всю поверхность спутника солнечными батареями и поставить несколько антенн, нежели создавать систему ориентации. Тем более, что некоторые задачи нетребовательны к ориентации — например, фиксировать космические лучи можно в любом положении спутника.
Солнечный датчик
Фотоэлементы к середине XX века стали вещью привычной и освоенной, поэтому нет ничего удивительного, что они отправились в космос. Очевидным маяком для таких датчиков стало Солнце. Его яркий свет попадал на фоточувствительный элемент и позволял определять направление:
Различные схемы работы современных солнечных датчиков, внизу находится фоточувствительная матрица
Еще один вариант конструкции, здесь матрица изогнута
Современные солнечные датчики
Инфракрасная вертикаль
Аппараты, которые летают по орбите Земли, часто нуждаются в определении местной вертикали — направления на центр Земли. Фотоэлементы видимого диапазона для этого подходят не очень — на ночной стороне Земля гораздо хуже освещена. Но, к счастью, в инфракрасном диапазоне теплая Земля светит практически одинаково на дневном и ночном полушариях. На низких орбитах датчики определяют положение горизонта, на высоких — сканируют пространство в поисках теплого круга Земли.
Конструктивно, как правило, инфракрасные построители вертикали содержат систему зеркал или сканирующее зеркало:
Инфракрасная вертикаль в сборке с маховиком. Блок предназначен для точной ориентации на Землю для геостационарных спутников. Хорошо видно сканирующее зеркало
Пример поля зрения инфракрасной вертикали. Черный круг — Земля
Отечественные инфракрасные вертикали производства ОАО «ВНИИЭМ»
Корабль «Союз». Дублированные датчики ИКВ показаны стрелками
Гироорбитант
Для того, чтобы выдать тормозной импульс, необходимо знать направление вектора орбитальной скорости. Солнечный датчик даст правильную ось примерно один раз в сутки. Для полетов космонавтов это нормально, в случае нештатной ситуации человек может вручную сориентировать корабль. Но корабли «Восток» имели «братьев-близнецов», разведывательные спутники «Зенит», которым тоже нужно было выдавать тормозной импульс, чтобы вернуть с орбиты отснятую пленку. Ограничения солнечного датчика были неприемлемы, поэтому пришлось придумывать что-то новое. Таким решением стал гироорбитант. Когда работает инфракрасная вертикаль, корабль вращается, потому что ось на Землю постоянно поворачивается. Направление орбитального движения известно, поэтому по тому, в какую сторону поворачивается корабль, можно определить его положение:
Например, если корабль постоянно кренится вправо, то мы летим правым боком вперед. А если корабль летит кормой вперед, то он будет постоянно поднимать нос вверх. С помощью гироскопа, который стремится сохранить свое положение, это вращение можно определить:
Чем сильнее отклонена стрелка, тем сильнее выражено вращение по этой оси. Три таких рамки позволяют замерить вращение по трем осям и развернуть корабль соответственно.
Гироорбитанты широко использовались в 60-80-х годах, но сейчас вымерли. Простые датчики угловых скоростей позволили эффективно измерять вращение аппарата, а бортовая ЭВМ без труда определит положение корабля по этим данным.
Ионный датчик
Красивой была идея дополнить инфракрасную вертикаль ионным датчиком. На низких земных орбитах попадаются молекулы атмосферы, которые могут быть ионами — нести электрический заряд. Поставив датчики, фиксирующие поток ионов, можно определить, какой стороной корабль летит вперед по орбите — там поток будет максимальным:
Научная аппаратура для измерения концентрации положительных ионов
Ионный датчик работал быстрее — на построение ориентации с гироорбитантом уходил почти целый виток, а ионный датчик был способен построить ориентацию за
10 минут. К сожалению, в районе Южной Америки находится так называемая «ионная яма», которая делает работу ионного датчика нестабильной. По закону подлости именно в районе Южной Америки нашим кораблям надо строить ориентацию на торможение для посадки в районе Байконура. Ионные датчики стояли на первых «Союзах», но достаточно скоро от них отказались, и сейчас они нигде не используются.
Звездный датчик
Одной оси на Солнце часто бывает мало. Для навигации может быть нужен еще один яркий объект, направление на который вместе с осью на Солнце даст нужную ориентацию. Таким объектом стала звезда Канопус — она вторая по яркости в небе и находится далеко от Солнца. Первым аппаратом, который использовал звезду для ориентации, стал «Маринер-4», стартовавший к Марсу в 1964 году. Идея оказалась удачной, хотя звездный датчик выпил много крови ЦУПа — при построении ориентации он наводился не на те звезды, и приходилось «прыгать» по звездам несколько дней. После того, как датчик наконец навелся на Канопус, он стал постоянно его терять — летевший рядом с зондом мусор иногда ярко вспыхивал и перезапускал алгоритм поиска звезды.
Первые звездные датчики представляли собой фотоэлементы с небольшим полем зрения, которые умели наводиться только на одну яркую звезду. Несмотря на ограниченность возможностей, они активно использовались на межпланетных станциях. Сейчас технический прогресс, фактически, создал новый класс устройств. Современные звездные датчики используют матрицу фотоэлементов, работают в паре с компьютером с каталогом звезд и определяют ориентацию аппарата по тем звездам, которые видны в поле их зрения. Такие датчики не нуждаются в предварительном построении грубой ориентации другими приборами и способны определить положение аппарата вне зависимости от участка неба, в которое их направят.
Типичные звездные датчики
Чем больше поле зрения, тем проще ориентироваться
Иллюстрация работы датчика — по взаимному положению звезд по данным каталога рассчитывается направление взгляда
Магнитометр
Сравнительно новым направлением является построение ориентации по магнитному полю Земли. Магнитометры для измерения магнитного поля часто ставились на межпланетные станции, но не использовались для построения ориентации.
Магнитное поле Земли позволяет строить ориентацию по всем трем осям
Первый цифровой магнитометр. Эта модель появилась на станции «Мир» в 1998 г. и использовалась в посадочном модуле «Филы» зонда «Розетта»
Гиростабилизированная платформа
Исторически, космические аппараты часто летали неориентированными или в режиме солнечной закрутки. Только в районе цели миссии они включали активные системы, строили ориентацию по трем осям и выполняли свою задачу. Но что, если нам необходимо поддерживать произвольную ориентацию длительное время? В этом случае нам надо «помнить» текущее положение и фиксировать свои повороты и маневры. А для этого человечество не придумало ничего лучше гироскопов (измеряют углы поворота) и акселерометров (измеряют линейные ускорения).
Гироскопы
Широко известно свойство гироскопа стремиться сохранить свое положение в пространстве:
Изначально гироскопы были только механическими. Но технический прогресс привел к появлению множества других типов.
Оптические гироскопы. Очень высокой точностью и отсутствием движущихся деталей отличаются оптические гироскопы — лазерные и оптоволоконные. В этом случае используется эффект Саньяка — фазовый сдвиг волн во вращающемся кольцевом интерферометре.
Лазерный гироскоп
Твердотельные волновые гироскопы. В этом случае измеряется прецессия стоячей волны резонирующего твердого тела. Не содержат движущихся частей и отличаются очень высокой точностью.
Вибрационные гироскопы. Используют для работы эффект Кориолиса — колебания одной части гироскопа при повороте отклоняют чувствительную часть:
Вибрационные гироскопы производятся в MEMS-исполнении, отличаются дешевизной и очень маленькими размерами при сравнительно неплохой точности. Именно эти гироскопы стоят в телефонах, квадрокоптерах и тому подобной технике. MEMS-гироскоп может работать и в космосе, и их ставят на микроспутники.
Размер и точность гироскопов наглядно:
Акселерометры
Конструктивно, акселерометры представляют собой весы — фиксированный груз меняет свой вес под воздействием ускорений, и датчик переводит этот вес в величину ускорения. Сейчас акселерометры кроме больших и дорогих версий обзавелись MEMS-аналогами:
Пример «большого» акселерометра
Микрофотография MEMS-акселерометра
Комбинация трех акселерометров и трех гироскопов позволяет фиксировать поворот и ускорение по всем трем осям. Такое устройство называется гиростабилизированной платформой. На заре космонавтики они были возможны только на карданном подвесе, были очень сложными и дорогими.
Гиростабилизированная платформа кораблей Apollo. Синий цилиндр на переднем плане — гироскоп. Видео испытаний платформы
Вершиной механических систем были бескарданные системы, когда платформа висела неподвижно в потоках газа. Это был хайтек, результат работы больших коллективов, очень дорогие и секретные устройства.
Сфера в центре — гиростабилизированная платформа. Система наведения МБР Peacekeeper
Ну а сейчас развитие электроники привело к тому, что платформа с пригодной для простых спутников точностью умещается на ладони, ее разрабатывают студенты, и даже публикуют исходный код.
Интересным нововведением стали MARG-платформы. В них данные с гироскопов и акселерометров дополняются магнитными датчиками, что позволяет исправлять накапливающуюся ошибку гироскопов. MARG-датчик, наверное, самый подходящий вариант для микроспутников — он маленький, простой, дешевый, не имеет движущихся частей, потребляет мало энергии, обеспечивает ориентацию по трем осям с коррекцией ошибок.
В «серьезных» системах для исправления ошибок ориентации гиростабилизированной платформы обычно используют звездные датчики.
Траекторную ошибку, как правило, исправляют системами радиоконтроля орбиты — антенны на Земле по сигналам с аппарата могут очень точно определить его положение и скорость. На низких орбитах для этого недавно появился дешевый аналог — GPS/ГЛОНАСС.
Дополнительные источники информации
По тегу «незаметные сложности» — публикации о ракетах-носителях, стартовых сооружениях, системах ориентации.